单片机的无线数据传输模块毕业设计论文.docx
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单片机的无线数据传输模块毕业设计论文
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四川理工学院成人教育学院
毕业设计（论文）
题目基于单片机控制的WIFI无线传输模块的设计
教学点重庆科创职业学院
专业通信工程
年级2011级
姓名吴敏
指导教师贾俊霞
定稿日期：
2014年4月25日
四川理工学院成人教育学院
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
吴敏
专业班级
通信工程ZB821101
设计（论文）题目
基于单片机控制的WIFI无线传输模块的设计
接受任务日期
2013年12月18日
完成任务日期
2014年4月25日
指导教师（签名）
贾俊霞
指导教师单位
重庆科创职业学院
设计（论文）内容目标
内容：
（1）针对系统的需求选择合适的无线数据传输模块。
（2）根据选择的器件设计外围电路和单片机的接口电路。
（3）编写控制无线数据传输器件进行数据。
目标：
（1）单片机系统：
通过串口传输向上位机发送数据，同时，控制无线数据传输模块
（2）外围电路：
无线数据传输模块和单片机之间的接口电路
（3）程序：
编写单片机控制无线数据传输模块实现单片机的无线数据传输传输的程序
设计（论文）要求
（1）机无线数据传输系统的总体方案
（2）要求用AT98S51单片机设计软硬件
（3）信息的发射与接收，单片机具有无线数据传输的功能
参考资料
（1）《数据传输原理》清华大学通信教材编写小组北京人民邮电出版社
（2）《红外技术基础与应用》记红北京科技出版社
（3）《单片机原理及其嵌入式应用教程》王一怀北京北京希望电子出版社
注：
此表由指导教师填写后发给学生，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。
基于单片机控制的WIFI无线传输模块的设计
摘要
随着社会的发展,人们期望能随时随地、不受时空限制地进行信息交互。
当今的各种智能化控制系统也离不开数据信息的传输。
有很多的电器产品（如一些家用电器）的操作控制也都采用了无线数据传输方式，一些无线数据传输功能相对简单的电器产品，无线数据传输信号的接收识别往往采用与编码调制芯片配套的译码芯片。
而无线数据传输功能比较复杂的一些电器产品，无线数据传输信号的识别与译码多采用单片机，其编码调制方法也有多种。
下面介绍一种常用的无线数据传输信号的编码方法，以及用单片机对其进行识别的程序设计方法，以供参考。
设计了一种基于AT89S51单片机的无线数据传输方案,并简要介绍了无线数据传输抗干扰措施并给出软件设计实例。
关键词：
无线数据传输;片机;编码;解码
DesignofWIFIwirelesstransmissionmodulebasedonMCU
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,peopleexpecttowheneverandwhereverpossible,withouttimelimitforinformationinteraction.Transmissionofvariousintelligentcurrentcontrolsystemalsocannotdowithoutdatainformation.Therearealotofelectricalproducts（suchassomeofthecontrol,electricalproductssomewirelessdatatransmissionfunctionofrelativelysimple,receivingandidentifyingthewirelessdatatransmissionsignalisoftenusedindecodingchipandsupportingcodemodulationchip.Someapplianceswirelessdatatransmissionfunctionisrelativelycomplex,recognitionanddecodingofwirelessdatatransmissionsignalbyMCU,themodulationandcodingmethodsarevarious.Thecodingmethodisacommonlyusedwirelessdatatransmissionsignal,aswellastheMCUtocarryontheprogramdesignmethodofidentification,forreference.DesignofawirelessdatatransmissionschemebasedonAT89S51singlechipmicrocomputer,andbrieflyintroducesthewirelessdatatransmission,anti-interferencemeasuresandgivesthesoftwaredesignexample.
Keywords:
Wirelessdatatransmission;single-chipmicrocomputer;coding;decoder
目录
前言1
第一章单片机无线数据传输系统设计的原理2
1.1单片机无线数据传输原理概述2
1.2AT89S51单片机的原理3
1.3QwikRadio®射频发射模块（TransmitterModule）3
1.4QwikRadio射频接收模块（ReceiverModule）5
第二章基于单片机的无线数据传输系统的实现7
2.1硬件电路设计7
2.1.1概述7
2.1.2发射部分7
2.1.3接收部分9
2.2软件设计11
2.2.1概述11
2.2.3接收电路的软件流程设计16
第三章调试22
第四章结束语25
致谢26
参考文献27
前言
当今的各种智能化控制系统,比如智能化小区内部的无线抄表系统、门禁系统、防盗报警系统和安全防火系统等,工业数据采集系统,水文气象控制系统,机器人控制系统、数字图像传输系统等等,都离不开数据信息的传输。
可以说,数据信息传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分。
而数据送的方式大部分采用有线的数据传送方式,例如并行传送、串行传送、CAN总线和Lonworks总线等等。
在有线数据传输方式当中,数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或光纤。
在一些单片机监测系统中,数据采集装置是安装在环境条件恶劣的现场或野外。
采集到的数据通信传输到手持终端,然后通过手持终端送到后台机（PC机）进行数据分析、处理。
这样,数据采集装置与手持终端之间的数据传输需解决通信问题。
若采用有线数据传输方式显然是不合适的。
其实,数据传输还可以有无线传输方式,即通过空气或真空实现数据传送。
相比于传统的有线数据传输方式,无线数据传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题,从而节省大量电线电缆,并且降低施工难度和系统成本,是一个很有发展潜力的研究课题。
无线数据传输因其传输距离远和受障碍影响小而得到广泛应用，随着各种专用无线数据传输集成电路和无线数据传输发射和接收专用集成电路的不断涌现，使许多复杂的无线数据传输系统的设计变得愈来愈简单，而且工作稳定性可靠。
随着计算机、通信和无线技术的逐步融合,在传统的有线通信的基础上,无线通信技术因具有体积小、抗干扰能力强、快捷、方便、可移动、可靠、无需布线、维护方便和数据安全等优势,所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、安全防火、生物信号采集、环境监测和电气自动化等领域。
本文介绍利用单片机以及发射接收模块电路实现的一种无线数据传输系统的设计思想。
给出了无线数据传输系统的工作原理、硬件设计方案和软件设计方案。
讨论了数据传输格式，给出了数据通信协议的数据帧结构,以适应于无线通信环境,可确保在案较差的无线环境下实现数据无差错传输。
该方法安全可靠,实时性强,占用内存极少,可广泛应用于高中低档单片机.特别对于存储容量小的低档单片机,该方法是理想的选择。
主控芯片采用AT89S51单片机,发射电路采用无线数据传输模块QwikRadio®射频发射模块，接收部分采用无线数据传输模块QwikRadio®射频接收模块。
该系统通过发射接收无线电波实现数据的无线传输。
其装置具有体积小、功耗低、成本低的特点，传输距离可达100m以上。
第一章单片机无线数据传输系统设计的原理
1.1单片机无线数据传输原理概述
无线数据传输有发送和接收两个组成部分。
发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号,通过无线数据传输模块中的发射模块发射信号。
无线数据传输接收端普遍采用价格便宜,性能可靠的一体化无线数据传输接收模块（如QwikRadio射频接收模块,它接收无线数据传输信号频率为433.92MHz，数据速率为10Kbps）接收无线数据传输信号,它同时对信号进行放大、检波、整形,得到TTL电平的编码信号,再送给单片机,经单片机解码并执行,去控制相关对象,如图1-1所示。
图1-1 单片机无线数据传输的过程
无线数据传输发射部分,一般由一个能产生等幅振荡的高频载频振荡器和一个产生低频调制信号的低频振荡器组成。
用来产生载频振荡的电路一般有多谐振荡器、互补振荡器和石英晶体振荡器等由低频振荡器产生的低频调制波,一般为宽度一定的方法。
如果是多路控制可以采用每一路宽度不同的方波,或是频率不同的方法去调制高频载波,组成一组组的已调制波,作为控制信号向空中发射。
接收电路从工作方式分,可以分成超外差接收方式和超再生接收方式。
超外差原理利用本地产生的振荡波与输入信号混频,将输入信号频率变换为某个预定的频率的电路。
其优点是:
①容易得到足够大而且比较稳定的放大量。
②具有较高的选择性和较好的频率特性。
③容易调整。
缺点是电路比较复杂,同时也存在着一些特殊的干扰,如相频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。
超再生电路实际上是一个受控间歇振荡的高频振荡器,这个高频振荡器采用电容三点式振荡器,振荡频率和发射器的发射频率相一致。
而间歇振荡又是在高频振荡过程中产生的,反过来又控制着高频振荡器的振荡和间歇。
间歇振荡的频率是由电路的参数决定的。
这个频率选低了,电路的抗干扰性能较好,接收灵敏度降低;反之亦然。
超再生式接收方式具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点所以在实际应用中被广泛采用。
1.2AT89S51单片机的原理
AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价at89s51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89S51提供以标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个IO口线,看门狗（WDT）,两个数据指针,两个16位定时计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作直到下一个硬件复位。
1.3QwikRadio®射频发射模块（TransmitterModule）
无线数据传输系统的核心是无线收发控制电路．我们可以采用无线数据传输模块来构成无线收发电路。
在本系统中，我们采用的收发模块是QwikRadio®射频发射模块和QwikRadio®射频接收模块。
QwikRadio®射频发射模块有以下特点：
◆支持幅移键控（ASK）键控通断（OOK）调制方式
◆数据传输速率可达20Kbps
◆可与各种超再生和超外差接收器配合使用
◆与QwikRatio系列接收器配合使用，能在实现可靠链接的同时，大大的降低系统成本
◆待机电流极小，小于0.04uA
◆通过改变PC端电压可调节发射功率
◆输出消隐是保证MICRF102符合FCC等发射规定的关键
◆天线自动调谐功能,消除了模块生产过程中的手工调谐工序.也能自动适应阻抗变化和触摸效应
表1-2射频发射模块参数表
模块型号
RFIC
发射功率
工作电流
数据速率
发射频率
模块尺寸（mm）
外围元件
TX-2-F3-A
MICRF102BM
0dbm
8mA
20Kbps
315MHz
22.6X10.2
16只
无线数据传输发射芯片MICRF102的应用说明
MICRF102是Micrel公司QwikRatioTM系列发射器（Transmitter）的成员之一，工作在300~470MHzISM频段，适用于各种无线遥控数传领域。
它是一款真正的单片“数据入，天线出”发射器，天线调谐在芯片内部完成，无需手工调节；发射功率自动控制；高度集成，外围元件极少，应用非常简单；稳定性好，性价比优异。
MICRF102支持幅移键控（ASK）键控通断（OOK）调制方式，可与各种超再生和超外差接收器配合使用。
数据传输速率可达20kbps。
MICRF102与QwikRatioTM系列接收器配合使用，能在实现可靠链接的同时，大大的缩短产品研发周期和降低系统成本。
特性参数
表中参数如无特别声明，均在以下条件测得
4.75V≤VDD≤5.5V，VPC=0.35V，TA=25℃，fREFOSC=12.1875MHz，STBY＝VDD。
表1-5特性参数
符号
参数
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
电源
IQ
待机电流
VSTBY<0.5V,
VASK<0.5V或VASK>VDD-0.5V
0.04
μA
ION
高电平电流
315MHz，见说明4
6
10.5
mA
433MHz，见说明4
8
12
mA
IOFF
低电平电流
315MHz
4
6
mA
433MHz
6
8.5
mA
平均工作电流
315MHz，33%占空比
4.7
mA
433MHz，33%占空比
6.7
mA
射频中频部分
POUT
射频输出功率
见说明4
0
dBm
E
场强（3m处）
见说明5
67dB
80dB
μVm
H
谐波输出，见说明10
315MHz二次谐波
三次谐波
-46
-45
dBc
433MHz二次谐波
三次谐波
-50
-41
dBc
ASK消光比
40
52
dBc
变容调节范围
见说明7
3
5
7
pF
参考振荡器部分
参考振荡器输入阻抗
300
kΩ
参考振荡器源电流
6
μA
参考振荡器输入电压
0.2
0.5
VPP
数据控制部分
校准时间
见说明8，ASK=High
25
ms
功放待机启动延迟
见说明9，STBY电压由低至高转换，晶振ESR<20Ω
6
ms
待机发射稳定时间
外部时钟输入（500mVPP）
10
ms
晶振，ESR<20Ω
19
ms
最大数据速率
ASK调制，占空比为50%
20k
bps
VSTBY
使动电压
0.75VDD
V
ASK输入电平
高电平
0.75VDD
V
低电平
0.25VDD
V
ASK输入电流
ASK为0V和5V时电流
-10
0.1
10
V
1.4QwikRadio射频接收模块（ReceiverModule）
表1-7射频接收模块参数
模块型号
RFIC
接收灵敏度
工作电流
数据速率
接收频率
模块尺寸（mm）
外围元件
RX-2-F4-A
MICRF002BM
≤-102dBm
3mA
10Kbps
433.92MHz
11.5X25
13只
美国Micrel半导体公司最新推出MICRF002是MICRF001和MICRF011的增强型系列产品,主要应用于无线遥控方面。
它是单片无线OOK（ON-OFFKeyed）接收扫频芯片，高频信号接收功能全部集成于片内以达到用最少的外围器件和最低的成本获得最可靠的接收效果。
所以说MICRF002是真正意义上的“天线高频AM信号输入，数字信号输出”的单片接收器件。
同时，片内自动完成所有的RF及IF调谐，这样在开发和生产中就省略了手工调节的工艺过程，自然也降低了成本，增强了产品的竞争力。
MICRF002可以提供两种基本的工作模式，既固定模式（FIXEDMODE）和扫频模式（SWPMODE）。
在FIXED工作模式下，MICRF002如同传统的超外差式接收机一样片内产生固定频率的本振信号，你需要做的仅仅是外接一只石英晶振或输入外部时钟信号。
和传统的超外差式接收器类似,需要发射机的发射频率特别精确稳定，所以通常都需要石英晶振和声表面滤波SAW（SurfaceAcousticWave）。
在SWP工作模式下，MICRF002以高于基带数据传输的扫频频率对内部本振进行扫频相当于更有效的”扩宽”了RF接收的带宽，性能完全等同于传统超再生接收器。
因此，可以用廉价的外围器件和免调谐LC发射机。
在这种工作模式下，外部参考石英晶振也可以用低成本±0.5%误差的陶瓷振荡器代替。
功能描述：
图1-19MICRF002的功能描述
如图1-19所示：
MICRF002分为
（1）UHF降频变换器
（2）OOK解调器（3）参考时钟及控制和（4）唤醒功能四个功能块。
用它组成一个完整的UHF接收器，只需要2个电容（CTH，CAGC）和1个时钟器件（通常为陶瓷震荡器），当然外部还需要1个电源滤波器电容。
4个控制输入脚（SEL0，SEL1，SWEN，SHUT）用来选择芯片的工作模式和带宽芯片内部已有上拉电阻，不再需要外加上拉电阻。
第二章基于单片机的无线数据传输系统的实现
2.1硬件电路设计
2.1.1概述
无线数据传输系统一般由无线数据传输的发射系统、无线数据传输接收系统、处理系统、执行机构构成。
其发射系统由可编程的集成芯片及外围电路构成;接收系统由检波放大整形电路及无线数据传输接收芯片构成;处理系统由单片微处理机芯片及外围电路构成。
主要芯片均系无线数据传输专用集成芯片。
由无线数据传输发射系统输出的信号是经高频调制后的二进制高频编码脉冲串,它由起始码及信息码构成。
这种发送方式具有下述优点:
无线数据传输脉冲宽度稳定且不会由于数据的内容而改变功率消耗;采用高频调制的无线数据传输信号抗干扰能力强,使无线数据传输信号易于分离和区别;已调脉冲列可用一个窄带接收器进行接收,可提高无线数据传输系统的抗干扰能力;在高频下间隔进行开关,可减小消耗功率。
本系统根据无线数据传输系统的发射模块和接收模块（QwikRadio射频发射模块和QwikRadio射频接收模块）的应用方式和AT89S51单片机的编码和解码的工作原理,设计了利用AT89S51单片机实现的无线数据传输系统的硬件线路示意图。
该系统要实现的功能为：
当电路发射部分有按键按下时，由单片机对该按键进行编码，然后发送到接收端。
当接收模块接收到信号后，传送到单片机处进行解码，判断出是那一个按键被按下，然后点亮相应的发光二极管，完成无线数据传输的功能。
2.1.2发射部分
无线数据传输系统的发射部分由无线数据传输发射模块，主控芯片AT89S51和按键开关控制电路组成。
发射系统主要功能是将按键电路的信息进行编码后得到编码脉冲信号，此信号调制无线电发射电路并发射出去。
无线数据传输系统的发射部分电路如下图所示。
电路中有4个按键开关，分别对应控制着接收部分的4个发光二极管。
本电路可以使用USB接口供电，也可以直接接5伏的稳压电源。
8位信息码通过编码器转换成18位串行码，该串行码通过无线数据传输发射模块发射出去此编码通过AT89S51单片机来完成。
图2-1无线数据传输系统发射部分电路示意图
IC1为主控芯片AT89S51,主要完成根据按键进行编码并控制发射模块进行发射的功能。
4个10K的电阻R1-R4和按键开关S1、S3、S4、S5共同构成按键开关控制电路。
J1为整个无线数据传输系统的核心之一，即无线数据传输发射模块QwikRadio®射频发射模块。
JP1是将程序烧入单片机的下载线接口。
J9是接5伏稳压电源的电源接口。
而J2就是电路的另一个电源接口，USB电源接口，可直接利用电脑USB口的电源为系统电路供电。
T1是晶体振荡器，它和两个30皮法的电容构成单片机的晶体振荡电路。
轻触开关K19、10uF的电容和10K的电阻构成单片机的复位电路。
下图为无线数据传输系统发射部分电路的PCB图：
图2-2无线数据传输系统发射部分电路PCB图
2.1.3接收部分
接收部分主要由无线数据传输接收模块、解码电路、显示电路组成。
接收控制电路主要完成的功能是对接收进来的信号解调后进行解码，解码后的数据控制相应的发光二极管进行动作。
脉冲波形进入无线数据传输接收模块以后,因为无线数据传输接收模块里要进行解调、信号放大和整形。
所以要注意:
在没有无线数据传输接收信号时,其输出端为杂波信号,有信号时为接收到的脉冲信号。
即如果接收到的信号是高电平，那么在无线数据传输接收模块数据输出端输出的信号就为高电平，反之，如果接收到的是低电平，那么在输出端输出的也是低电平。
数据由无线数据传输接收模块接收后,经过单片机AT89S51进行解码。
数据由P2口输出,因为P2口通常是做通用的IO口使用的,所以在电路结构上有其自身特点。
它不需要多路转接电路MUX;其次是电路的内部有上拉电阻。
这些电阻与场效应管共同组成输出驱动电路。
为此,P2口作为输出使用时,已能向外提供推拉电流负载,而无需再接上拉电阻。
P2口出来的数据经过电阻的分压后直接接到发光二极管上。
图4所示是一个无线数据传输系统的接收电路。
图4中,P2口出去后连接15kΩ的电阻,然后连接到发光二极管上。
当数据码为“1”时灭,为“0”时亮,这样又直观又方便。
电路的供电方式与发射部分的供电方式相同，既可以用USB接口供电，也可以用5伏的稳压电源供电。
图2-3无线数据传输系统接收部分电路示意图
IC2为主控芯片AT89S51,主要完成根据按键进行解码并控制接收模块进行接收的功能。
4个15K的电阻R1-R4和发光二极管D3-D6共同构成显示电路。
J2为整个无线数据传输系统的核心之一，即无线数据传输接收模块Qw
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